Mikä on Otto-sykli ja dieselsykli, ja miten ne määritellään?

Molemmat muodostavat teoreettiset mallit, joita käytetään kuvaamaan suoritettavia kaasun termodynaamisia syklejä. suoritetaan nelitahtisissa polttomoottoreissa, joissa on kipinäsytytys ja itsesytytys vastaavasti.

Otto-pyörä saa nimensä siitä, että saksalainen insinööri Nikolaus Otto kehitti tämän vuonna 1876. kipinäsytytteinen nelitahtimoottori, joka perustuu Beau de: n vuonna 1862 ehdottamaan malliin Rochas. Tämä moottori suorittaa neljä termodynaamista prosessia kahdessa mekaanisessa jaksossa. Diesel-syklin puolestaan ​​kehitti vuosina 1890-1897 saksalainen Rudolft Diesel kuljetusyhtiölle MAN. aikomuksena valmistaa moottoreita, joiden suorituskyky on korkeampi kuin höyrykoneita, muista polttoaineista, jotka tarjoavat korkeampia polttoaineita tehokkuusetuja. Tätä luomusta on jalostettu siitä lähtien, ja esimerkiksi vuonna 1927 BOSH-yhtiö lanseerasi pumpun Dieselin ruiskutus, joka auttoi vähentämään polttoaineen kulutusta, mikä on taloudellisempaa kuin bensiini.

Kuvassa on kaavio, jossa on edustavimmat Otto-sykliä kuvaavat elementit

Dieselsyklit kuvaavat teoreettisesti ECOM-moottoreiden (puristussytytysmoottorit) toimintaa. Kaavio näyttää joitain tämän syklin ominaisuuksia.

Polttomoottoreiden termodynaamiset prosessit

Yleiset nelitahtiset mäntämoottorit koostuvat käytännössä neljästä prosessista: imu, puristus, laajennus ja pako.

Sekä kipinäsytytysmoottoreissa että dieselmoottoreissa imuprosessin aikana imuventtiili avautuu sylinterissä, jotta ilma pääsee sisään (dieselmoottoreiden tapauksessa). Dieselmoottorit) sekä ilma ja polttoaine (kipinäsytytysmoottoreissa), joka tapahtuu ilmakehän paineessa (tätä varten tarvitaan paine sylinterin sisällä alempi). Tämän tilavuuden tulo sylinteriin siirtää mäntää kohti alakuolokohtaa (BDC), kunnes se saavuttaa maksimitilavuuden, jossa imuventtiili sulkeutuu.

Puristusprosessin aikana imu- ja pakoventtiilit pysyvät kiinni ja mäntä liikkuu kohti ylempää kuollutta kohtaa (TDC) puristamalla kammion sisältöä, kunnes se saavuttaa tilavuuden minimi. Toisin kuin kipinäsytytysmoottoreissa, joissa puristussuhde on noin kuin 11, dieselmoottoreiden sylintereissä tämän suhteen vaaditaan olevan suurempi, suunnilleen 18. Tämä pidempi reitti mahdollistaa korkeampien lämpötilojen saavuttamisen, mikä takaa polttoaineen itsesyttymisen seuraavassa prosessissa, eli polttoaineen lämpötilan. Ilman puristusprosessin lopussa on oltava korkeampi kuin polttoaineen itsesyttymisessä annettu, jotta se voi syttyä tullessaan puristuskammioon. palaminen.

Dieselsyklit vaativat suurempia sylintereitä kuin bensiini- tai kaasumoottorit, joten molempia käytetään yleisesti kuorma-autoissa tai suurissa kuljetusvälineissä sekä maatalousteollisuus.

Seuraava prosessi on laajennus- tai tehoisku, ja se alkaa, kun mäntä saavuttaa yläkuolokohdan. Kipinäsytytysmoottoreissa palaminen on käytännössä välitöntä, ja se tapahtuu sytytystulpan synnyttämän kipinän syttyminen, joka aiheuttaa ilman ja seoksen palamisen polttoainetta. ECOM-moottoreissa prosessi on hieman hitaampi, kun mäntä on TDC: ssä ja ruiskutussuuttimet ruiskuttavat polttoainetta kammioon. Kun diesel tai kaasuöljy joutuu kosketuksiin ilman kanssa korkeassa lämpötilassa, tämä seos syttyy ja syttyy ajaa mäntää kohti BDC: tä laajentaen palamiskaasuja ja saattamalla moottorin kampiakselin pyörimään. moottori.

Kuvassa on polttomoottorin sylinteri. Näet venttiilit ja männän.

Lopuksi avataan poistoventtiili niin, että mäntä nousee ja syrjäyttää palamiskaasut ja kierto alkaa alusta.

Dieselmoottoreissa ei käytetä sytytystulppia kuten bensiinimoottoreissa, koska palamisprosessi on syntyy palotilan paine- ja lämpötilaolosuhteiden ansiosta ruiskutushetkellä polttoainetta.

Laskelmien ja termodynaamisen analyysin yksinkertaistamiseksi moottoreiden sylintereiden sisällä Sisäisen palamisen osalta tehdään joitain oletuksia, kuten vakioilmanäkökohdat ja että prosessit ovat käännettävä. Näiden tilojen kautta Otto- ja Diesel-syklit kehitetään muodostamaan neljä prosessia, kuten seuraavassa kuvassa:

Nelitahtisten polttomoottorien neljä prosessia.

1-2: isentrooppinen pakkaus
2-3: Lämmön lisäys. Otto-sykleissä tämä prosessi oletetaan vakiotilavuudella (isokori) ja dieselsykleissä se lähestyy yhtä vakiopaineella (isobarinen).
3-4: isentrooppinen laajeneminen
4-1: Jatkuva äänenvoimakkuuden hylkäys (isokoraalinen)

Vasemmalla oleva kaavio näyttää prosessit, jotka tapahtuvat kipinäsytytysmoottoreissa. Käytännössä se on avoin prosessi, joka edellyttää ulkoilman ottoa ja pakokaasujen poistamista ympäristöön. Oikealla tämän mallin yksinkertaistaminen nähdään suljettuna syklinä, joka muodostuu kahdesta isentrooppisesta prosessista ja kahdesta isokorista.

Dieselsyklissä imu- ja poistoprosessit korvataan vakiopaineisella lämmönlisäyksellä ja vakiotilavuuden lämmönpoistolla. Lisäksi puristus- ja laajennusprosessien oletetaan olevan isentrooppisia.

Nelitahtisia polttomoottoreita ei käytetä vain kuljetusteollisuudessa. Niillä on myös tiettyjä sovelluksia asuin- ja teollisuustasolla, esimerkiksi yhteistuotannon soveltamiseen ja saada sähköä (tai mekaanista energiaa) ja lämpöä yhdestä primäärilähteestä, joka olisi polttoaine käytetty. Yhteistuotannossa Otto-syklit ja kaasuturbiinit ovat kuitenkin yleisempiä.

Nelitahtisten polttomoottoreiden hyötysuhde

Kuten kaikki termodynaamiset syklit, kaasusyklit tarjoavat suorituskyvyn mitan lämpötehokkuuteen (η_ter), jotka näyttävät suhteen netto wneto jaettuna lämmöntuonnilla qent:

\(_{Ter = }\frac{{{w_{net}}}}{{{q_{ent}}}} = \frac{{{q_{ent}} – {q_{sal}}}}{ {{q_{in}}}} = 1 – \frac{{{q_{salt}}}}{{{q_{in}}}}\)

Missä:
mitä_suola edustaa isokorisella tavalla hylättyä lämpöä.

q_suola Sen määrää sisäisen energian (u) muutos tilojen välillä, joissa lämmönpoistoprosessi tapahtuu, eli tilojen 4 ja 1 välillä. Nämä suureet on otettu höyrytaulukoista, ja arvojen paikantamiseksi on tiedettävä kaksi tilatietoa, esimerkiksi lämpötila ja paine. Lisäksi on sovellettava tilayhtälöä (P.v = R.T) ja isentrooppisten prosessien välillä esiintyvää paineiden, tilavuuksien tai paineiden/suhteellisten tilavuuksien suhdetta.

Otto-sykleissä lämmön lisäysprosessi suoritetaan vakiotilavuudella, joten syöttölämpö q_sisään määräytyy sisäisen energian muutoksesta tilojen 2 ja 3 välillä, eli u₃ - tai₂:

\(_{Ter = } = 1 – \frac{{{u_4} – {u_1}}}{{{u_3} – {u_2}}}\)

Dieseljaksojen lämmönlisäysprosessin tapauksessa tämän oletetaan olevan vakiopaineessa ja syöttölämpö q_sisään, lasketaan entalpiamuutoksesta (h) niiden tilojen välillä, joissa tämä prosessi tapahtuu, eli tilojen 3 ja 2 välillä. Näillä huomioilla dieselsyklin tehokkuus voidaan määrittää käyttämällä lauseketta:

\(_{Ter = } = 1 – \frac{{{u_4} – {u_1}}}{{{h_3} – {h_2}}}\)

Tämä kaavio näyttää joitain eroja Otto-syklin ja dieselsyklin välillä. Jos molemmat moottorit voisivat toimia samalla puristussuhteella (r), Otto-syklit olisivat tehokkaampia, mutta käytännössä dieselmoottoreilla on korkeammat puristussuhteet.

Puristussuhde (r) ja imuraja (r_c)

Tämä mittaton arvo on parametri kaasusykleissä, ja se ilmaistaan ​​linkkinä, joka esiintyy sylinterin maksimi- ja vähimmäistilavuudessa:

\(r = \frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}\)

Sekä Otto- että Diesel-sykleissä suurin tilavuus saadaan tilassa 1 tai 4. Otto-syklin minimitilavuus esiintyy tiloissa 2 ja 3, mutta dieselissä vain tilassa 2.

Myös ominaislämpöjen dimensioton vakio "k" on määritelty, ja se edustaa suhdetta, joka on tunnistettu suhteessa ominaislämmön muuttujiin vakiopaineessa (C_s) ja ominaislämpö vakiotilavuudessa (C_v):

\(k = \frac{{{C_p}}}{{{C_v}}}\)

Lisäksi dieselsykleissä käytetään katkaisusuhdetta tai imuaukon sulkemista, mikä on lasketaan jakamalla maksimitilavuus minimitilavuudella lämmönlisäysprosessin aikana, eli sanoa:

\({r_c} = {\left( {\frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}} \right) n\;of\;lämpö} } = \frac{ {{V_3}}}{{{V_2}}} = \frac{{{v_3}}}{{{v_2}}}\)

Polttomoottorien tehokkuus vakiolämpö-oletusten avulla

Kaasukierrossa sen voidaan joskus olettaa toimivan oletuksilla tietyistä lämpötiloista, jotka eivät muutu lämpötilan mukaan, joita kutsutaan myös kylmäksi ilmaksi. standardi (käytännössä kuitenkin, jos vaihtelua esiintyy), ja tämän huomioon ottaen kunkin syklin lämpöhyötysuhde määritetään seuraavalla ilmaisuja:

Otto-syklille

\(_{Ter = } = 1 – \frac{1}{{{r^{k – 1}}}}\)

Vasemmalla oleva kaavio näyttää kipinäsytytysmoottoreiden puristussuhteen ominaisarvot. Oikealla Otto-syklin tehokkuuden vaihtelua havaitaan puristussuhteen (r) funktiona eri k: n arvoille.

Diesel-syklille

\(_{Ter = } = 1 – \frac{1}{{{r^{k – 1}}}}\vasen[ {\frac{{{r_c}^k – 1}}{{k\left ( {{r_c} – 1} \oikea)}}} \oikea]\)

Missä_v on ilman ominaislämpö vakiotilavuudessa (C._v = 0,718 kJ/kg. K.) ja C._s ominaislämpö vakiopaineessa, joka ilmalle ympäristön olosuhteissa on C_s = 1,005 kJ/kg. K.

Kaavio näyttää tyypillisen puristussuhteen (r) alueen dieselmoottoreille sekä syklin lämpöhyötysuhteen vaihtelu imuleikkaussuhteiden eri arvoilla (r_c).